基于PSIM的光伏矩陣MPPT通用模型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：基于光伏矩陣的物理特性，在PSIM仿真環(huán)境下，設(shè)計(jì)帶有最大功率跟蹤技術(shù)（MPPT）仿真算法的光伏矩陣仿真模型，應(yīng)用于實(shí)際的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。測試數(shù)據(jù)表明，仿真模型可以模擬任意參數(shù)的光伏陣列，跟蹤光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的變化，為光伏發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真提供良好設(shè)計(jì)平臺(tái)。 Abstract：Based on the physical model of PV array, a simulation model is designed in the PSIM environment, including the simulation arithmetic of Maximum Power Point Tracking (MPPT).It is used for a single-phase grid-connected photovoltaic system. The testing results indicate that this model can simulate any parameters of the photovoltaic module, and tracking any light intensity and ambient temperature. And that it can be used as a design platform for the dynamic emulation of the photovoltaic systems. 關(guān)鍵詞：光伏矩陣；PSIM仿真模型；MPPT；光伏發(fā)電系統(tǒng) Keywords：photovoltaic array；PSIM simulation model；MPPT；photovoltaic generation system； 中圖分類號(hào)：  TM615              文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：  A 1 引言         太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。由于成本高，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)成為研究這類系統(tǒng)的有效手段。實(shí)際情況下太陽光輻射強(qiáng)度不穩(wěn)定，光伏電池特性容易受環(huán)境溫度等因素影響，僅僅依靠準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)理論建立的模型不能反應(yīng)當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化時(shí)，光伏電站瞬態(tài)變化以及這種變化對電網(wǎng)的影響[1]。這就需要建立光伏電站的動(dòng)態(tài)仿真模型。光伏陣列是分布式光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其I-V 特性是太陽輻射強(qiáng)度環(huán)境溫度和光伏模塊參數(shù)的非線性函數(shù)。實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，就要對做為輸入電源的光伏陣列特性進(jìn)行仿真建模。 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真軟件主要有MATLAB和PSIM。MATLAB提供多種仿真工具箱，能夠清楚了解電路的數(shù)學(xué)模型并對系統(tǒng)進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)分析，但它無法直接與硬件連接，并且仿真速度和效果受到算法的制約，使用有一定的限制。PSIM軟件是近年來推出的一種功能強(qiáng)大、專門針對電力電子和自動(dòng)控制建模、仿真的專業(yè)軟件，能夠提供友好的用戶界面，包含豐富的控制元件庫和強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算模型，可以將其他仿真軟件，如MATLAB軟件中的元件轉(zhuǎn)化成通用數(shù)學(xué)模型。與MATLAB軟件相比較，仿真算法采用梯形公式積分演算的節(jié)點(diǎn)解析法，極大提高仿真速度，仿真結(jié)果的分析處理方式靈活[2]。系統(tǒng)模型的功率回路和控制回路分開設(shè)計(jì)，不會(huì)產(chǎn)生MATLAB軟件仿真代數(shù)環(huán)問題。利用PSIM進(jìn)行電力電子控制系統(tǒng)建模、分析與開發(fā)研究已經(jīng)受到日益廣泛的關(guān)注。 建立光伏陣列數(shù)學(xué)模型一般有三類方法[3-5]，在比較上述兩種仿真軟件建模方法的基礎(chǔ)上選用PSIM仿真軟件，考慮實(shí)際系統(tǒng)帶有的最大功率跟蹤MPPT功能，基于光伏矩陣物理模型建立相應(yīng)通用仿真模型，描述光伏電池特性并模擬外界環(huán)境變化。

2 光伏矩陣數(shù)學(xué)模型       光伏電池I-V特性與太陽輻射強(qiáng)度S和光伏電池溫度T有極大關(guān)系，即I=f（U，S，T）。采用單結(jié)晶硅為材料的光伏電池電路原理如圖1 所示[6]。

Rsh為考慮載流子產(chǎn)生與復(fù)合以及沿電池邊緣的表面漏電流而設(shè)計(jì)的等效并聯(lián)電阻，Rs為擴(kuò)散頂區(qū)的表面電阻、電池體電阻及上下電極之間的歐姆電阻等復(fù)合得到的等效串聯(lián)電阻。 圖1的太陽能光伏電池等效電路得出：   I = IL- ID - Ish                           (1) 其中：I是光伏模塊輸出電流；IL是光生電流；ID是流過二極管電流；Ish是光伏模塊漏電流。 根據(jù)電子學(xué)理論，由材料物理特性決定的理想二極管太陽能電池I-V特性為：

 （2）     

                                                 （3） 式中  V——光伏模塊輸出電壓；ID0——二極管反相飽和電流；q——電荷電量；n——二極管性能指數(shù)；k——波茲曼常數(shù)；TC——太陽能電池溫度；T0——絕對零度；T——外界溫度。 當(dāng)太陽電池處于開路狀態(tài)時(shí)，開路電壓  

         （4） 由公式(1) ～ (4) 得：        

           （5） 其中

：

 ； 式中  ISCref——參考日照、溫度下的短路電流；ht——太陽電池模塊溫度系數(shù)；TCref——參考條件下的基準(zhǔn)溫度；Sref——參考條件下的光照強(qiáng)度。 在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，理想光伏電池等效串聯(lián)電阻Rs很小，等效并聯(lián)電阻Rsh很大，一般工程應(yīng)用中可忽略不計(jì)[7]，公式（5）簡化成：           

        （6）       綜合上述推導(dǎo)過程，光伏陣列的數(shù)學(xué)模型（6）反應(yīng)出光伏電池受溫度影響，和光照強(qiáng)度成正比，輸入電流和輸出電壓之間呈現(xiàn)明顯的非線性特性，因此可以用該模型模擬外界條件變化對光伏電池特性的影響，能準(zhǔn)確反應(yīng)物理特性，具有較高的仿真精度。

3 光伏矩陣最大功率跟蹤數(shù)學(xué)模型

將Vmax代入公式(6)得Imax，于是最大功率Pmax可由下式求得：      （10）

4 光伏矩陣仿真通用模型及應(yīng)用        根據(jù)公式（6）~（10）考慮MPPT仿真算法，利用PSIM軟件仿真功能設(shè)計(jì)光伏陣列通用仿真模塊。圖2是光伏陣列仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中光伏矩陣模型和實(shí)時(shí)迭代MPPT算法均為PSIM提供的DLL控件采用C編程，實(shí)時(shí)求解任意太陽輻射、環(huán)境溫度下對應(yīng)的最大功率點(diǎn)電壓、電流值。算法編寫過程設(shè)置Switch，系統(tǒng)根據(jù)是否帶有MPPT輸出電流可以是Im或是對應(yīng)V的實(shí)際陣列電流Iout，便于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)試、觀測。模型子系統(tǒng)中T、S為實(shí)際環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度，U 、U-為光伏陣列輸出電壓，Vm、Im為光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓、電流，內(nèi)部參數(shù)Voc、Isco、Rsh、Rs等可以根據(jù)廠家提供的技術(shù)數(shù)據(jù)修改。

      上述模型是根據(jù)電子學(xué)理論構(gòu)建的，能夠模擬外界環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度變化對PV電池特性的影響，參數(shù)可以模擬實(shí)際光伏電池，同時(shí)兼顧MPPT仿真算法，所以該模型具有較高的靈活性和仿真精度。        將帶有通用MPPT算法的光伏陣列仿真模塊封裝后，用于圖3所示的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。系統(tǒng)輸入電源采用上述光伏陣列模塊；利用PSIM模型庫提供的元器件構(gòu)成逆變單元；其中PDF.dll控件是采用C編寫的具有參數(shù)自尋優(yōu)的偽微分結(jié)構(gòu)（PDF—&m